Luận văn Điều khiển chia công suất giữa các bộ nghịch lưu trong hệ thống năng lượng mặt trời (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển chia công suất giữa các bộ nghịch lưu trong hệ thống năng lượng mặt trời (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THỊ HOÀI PHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN CHIA CÔNG SUẤT GIỮA CÁC BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 0 5 0 3 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THỊ HOÀI PHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN CHIA CÔNG SUẤT GIỮA CÁC BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THỊ HOÀI PHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN CHIA CÔNG SUẤT GIỮA CÁC BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG Tp.Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
4. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: LÊ THỊ HOÀI PHƢƠNG Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 15/06/1981 Nơi sinh: Tp.Hồ Chí Minh Quê quán: Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 63/12 đƣờng 9, khu phố 3, P.Trƣờng Thọ, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh. Điện thoại cơ quan: 08.37313203 Điện thoại nhà riêng: 08.38966790 Fax: 08.37373203 E-mail: phuongud@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Không có Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 04/2005 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hồ Chí Minh. Ngành học: Điện khí hóa và Cung cấp điện Tên đồ án, luận án: Phƣơng pháp giảng dạy học chuyên ngành Điện. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 02/2005 tại trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Ngƣời hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Trọng Thắng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 04/2005 – Trƣờng Trung cấp Nghề Xây Giáo viên, nhân viên phòng Đào nay lắp Điện tạo & Tổ chức Hành chính. Trang i
5. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 04 năm 2016 Lê Thị Hoài Phương Trang ii
6. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG CẢM TẠ Tôi xin gửi đến thầy PGS.TS. Lê Minh Phƣơng lời biết ơn sâu sắc vì đã dành thời gian quý báu để hƣớng dẫn, đóng góp ý kiến, tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng nghiên cứu đề tài, tạo điều kiện thuận lợi cũng nhƣ cho tôi những lời khuyên bổ ích và quan trọng nhất là chia sẻ cách làm việc theo khoa học để hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy Cô Bộ Môn Cung Cấp Điện và nhóm nghiên cứu của thầy PGS. TS. Lê Minh Phƣơng đã giúp đỡ và hỗ trợ tài liệu có giá trị; các Thầy Cô phòng Tổ chức Hành chính trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã niềm nở tiếp đón, hỗ trợ thủ tục pháp lý nhanh chóng nhất trong thời gian tôi đến liên hệ các công việc liên quan. Xin gửi đến các Thầy Cô và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất. Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trƣờng Trung cấp Nghề Xây lắp Điện đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi vừa hoàn thành nhiệm vụ công tác tại đơn vị vừa tạo điều kiện về thời gian học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Cha Mẹ đã động viên và tạo điều kiện giúp tôi vƣợt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 04 năm 2016 Lê Thị Hoài Phương Trang iii
7. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG TÓM TẮT Microgrids là tích hợp các loại khác nhau của máy phát điện phân phối (DG), khai thác các nguồn năng lƣợng sẵn có ở mỗi nơi (gió, mặt trời, sinh khối vv) và đƣợc sử dụng nhƣ là các hệ thống độc lập tại một khu vực cách biệt hay hệ thống kết nối lƣới vì tính linh hoạt trong cung cấp công suất, chất lƣợng và khả năng mở rộng, ổn định hệ thống, tối ƣu hóa hệ thống phân phối và giảm chi phí truyền tải và phân phối; và ít hoặc không có ảnh hƣởng về môi trƣờng hơn so với các nguồn năng lƣợng truyền thống. Những microgrid này cần có vài phƣơng pháp điều khiển để tránh dòng cân bằng giữa các DG và đảm bảo hiệu quả ổn định và hoạt động ổn định của microgrid. Về vấn đề này, nhiều phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc nghiên cứu đề xuất, trong đó phƣơng pháp điều khiển droop đƣợc đề xuất nhƣ là lựa chọn tốt nhất vì một số lợi ích hấp dẫn nhƣ tính linh hoạt, sự vắng mặt của thông tin liên lạc quan trọng Nhiệm vụ quan trọng của luận văn là đảm bảo việc chia công suất đều theo yêu cầu của phụ tải giữa các bộ nghịch lƣu kết nối song song và duy trì sự ổn định điện áp, tần số không làm ảnh hƣởng đến độ tin cậy của hệ thống. Đồng thời trong chế độ kết nối lƣới, microgrid phải đƣợc điều khiển hòa đồng bộ đồng thời phát công suất lớn nhất có thể lên lƣới. Kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink cho thấy độ chính xác của giải thuật đề xuất vƣợt trội hơn so với giải thuật điều khiển droop truyền thống, thể hiện qua hệ thống có thể hoạt động ổn định ở chế độ độc lập của microgrid. Trang iv
8. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG Table of Contents LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH SÁCH CÁC BẢNG ix DANH SÁCH CÁC HÌNH x CHƢƠNG 1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 12 1.1 Tổng quan 12 1.1.1 Giới thiệu chung 12 1.1.2 Các vấn đề của microgrid 13 1.2 Các nghiên cứu hiện nay 14 1.3 Mục tiêu và kết quả nghiên cứu 16 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MICROGRID 17 2.1 Khái niệm microgrid và nguồn năng lƣợng phân tán (DG) 17 2.1.1 So sánh giữa lƣới điện thông thƣờng và microgrid 17 2.1.2 Nguyên tắc cơ bản của một lƣới microgrid 18 2.1.3 Ƣu điểm của Microgrid 18 2.2 Cấu trúc và thành phần của lƣới microgrid 19 2.2.1 Thành phần lƣới microgrid AC 21 2.2.2 Cấu hình cơ bản của lƣới AC hạ áp 22 CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA BỘ NGHỊCH LƢU ÁP TRONG MICROGRID (HỆ TRỤC DQ) 24 3.1 Bộ điều khiển công suất tác dụng/phản kháng 24 3.2 Điều khiển chế độ áp và chế độ dòng 24 3.3 Mô hình động của bộ điều khiển công suất tác dụng/phản kháng 25 Trang v
9. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG 3.4 Bộ điều khiển công suất tác dụng/công suất phản kháng dạng điều khiển dòng . 28 3.5 Xây dựng mô hình các bộ nghịch lƣu kết nối song song trong lƣới microgrid 32 3.6 Hòa đồng bộ các bộ nghịch lƣu với lƣới AC - vòng khóa pha (PLL) 32 CHƢƠNG 4 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DROOP TRONG MICROGRID 36 4.1 Phƣơng pháp điều khiển droop thông thƣờng 37 4.2 VPD/FGB droop control 40 4.3 Phƣơng pháp điều khiển góc 41 4.4 Kết luận 43 CHƢƠNG 5 GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI CHÍNH XÁC GIỮA CÁC BỘ NGHỊCH LƢU TRONG MICROGRID 44 5.1 Điều khiển thích nghi dùng trở kháng ảo kết hợp với thông tin liên lạc 44 5.2 Phân tích chế độ chia tải trong microgrid 45 5.2.1 Phân tích chia công suất tác dụng 45 5.2.2 Phân tích chia công suất phản kháng 50 5.3 Sơ đồ điều khiển droop đề xuất 53 5.3.1 Sơ đồ truyền tín hiệu. 53 5.3.2 Sơ đồ điểu khiển công suất P, Q 54 CHƢƠNG 6 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB SIMULINK 56 6.1 Các khối đo lƣờng 57 6.1.1 Khối đo dòng điện 58 6.1.2 Khối đo điện áp 58 6.1.3 Khối đo công suất P và Q 60 6.2 Các khối điều khiển 61 6.2.1 Bộ điều khiển điện áp 61 6.2.2 Bộ điều khiển dòng điện 62 6.2.3 Khối chuyển đổi dq/αβ 64 6.2.4 Khối tạo xung SVPWM 65 6.2.5 Khối Droop Control chia tải 65 6.3 Chế độ lƣới độc lập (mode 0 và 1). 67 Trang vi
10. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG 6.3.1 Trƣờng hợp 1- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1. 67 6.3.2 Trƣờng hợp 2- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1. 68 6.3.3 Trƣờng hợp 3- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s. 69 6.3.4 Trƣờng hợp 4- Tỷ lệ công suất 1:2:3, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s. 70 6.3.5 Trƣờng hợp 5- Tỷ lệ công suất P là 1:1:1, tỷ lệ công suất Q là 1:2:3, Mode 1 trƣớc sau đó chuyển sang Mode 0 ở 2s. 71 6.4 Chế độ kết nối lƣới (grid-connected) 72 6.4.1 Kết nối lƣới sau 3s, tần số lƣới 50Hz, tải không đổi, t=6s. 72 6.4.2 Kết nối lƣới, tần số lƣới thay đổi từ 50Hz lên 60Hz từ 3s, tải không đổi, t=6s. 74 CHƢƠNG 7 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Trang vii
11. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DG: Distributed Generation AC: Alternating Current DC: Direct Current CB: Circuit Breaker DER: Distributed Energy Resource MS: Master – Slave 3C: 3 Circle ALS: Average Load Sharing VSI: Voltage Source Inverter VSC: Voltage Source Converter PCC: Point of Common Coupling VSO: Voltage Controller Oscillator PLL: Phase Clocked Loop MV: Medium Voltage LV: Low Voltage Trang viii
12. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 5.1: Các chế độ điều khiển và Switch. 54 Bảng 6.1: Các thông số cơ bản của các bộ nghịch lƣu. 66 Bảng 6.2: Thông số định mức đƣờng dây. 66 Trang ix
13. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Giảm thiểu tổn thất khi dùng microgrid thay lƣới thông thƣờng. 18 Hình 2.2: Sơ đồ lƣới microgrid thông thƣờng [17]. 20 Hình 2.3: Phân loại microgrid theo dạng công suất. 20 Hình 2.4: Microgrid AC với các loại DG và sự thay đổi của tải.[8] 21 Hình 3.1: Sơ đồ khối của một bộ điều khiển công suất tác dụng/công suất phản kháng dạng điều khiển dòng điện trên trục 25 Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng của hệ thống biến đổi nguồn áp. 30 Hình 3.3: Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống biến đổi nguồn áp dạng điều khiển dòng ở hình 3.2 31 Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lƣu đề xuất 32 Hình 3.5: Sơ đồ khối điều khiển của PLL. 34 Hình 3.6: Sơ đồ mạch của PLL. 35 Hình 4.1: Cấu trúc điều khiển của bộ P/f và Q/V điều khiển droop thông thƣờng 39 Hình 4.2: Đặc tính droop/boost của điện áp thấp AC microgrid (a) Phƣơng pháp VPD (b) Phƣơng pháp FQB 41 Hình 4.3: Điều khiển Droop với băng thông công suất. 42 Hình 5.1: Mô hình lƣới Microgird độc lập với đƣờng truyền thông tin liên lạc. 45 Hình 5.2: Hai bộ nghịch lƣu hoạt động song song. 46 Hình 5.3: Mạng nhìn từ DG 1. 50 Hình 5.4: Sơ đồ truyền tín hiệu của các bộ nghịch lƣu. 53 Hình 5.5: Mạch điều khiển P và Q. 54 Hình 6.1: Mô hình lƣới Microgird độc lập với đƣờng truyền thông tin truyền thông. 56 Hình 6.2: Mô hình điều khiển một bộ nghịch lƣu. 57 Hình 6.3: Mô hình khối chuyển đổi dòng điện sang điện áp. 58 Hình 6.4: Bên trong của khối chuyển đổi với T1 và T3 là các hàm truyền. 58 Hình 6.5: Mô hình khối đo điện áp trên Matlab Simulink. 59 Trang x
14. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG Hình 6.6: Mô hình mô phỏng khối đo công suất P và Q 60 Hình 6.7: Mô hình mô phỏng bộ điều khiến áp. 62 Hình 6.8: Mô hình mô phỏng của khối điều khiển dòng điện. 63 Hình 6.9: Mô hình khối chuyển đổi dq/αβ. 64 Hình 6.10: Khối tính toán góc tƣơng ứng của hệ trục α và β. 64 Hình 6.11: Khối tạo xung SVPWM. 65 Trang xi
15. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG CHƢƠNG 1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan 1.1.1 Giới thiệu chung Microgrid là một khái niệm mới trong hệ thống phân phối năng lƣợng điện cho phép tích hợp các dạng năng lƣợng tái tạo: mặt trời, gió, diesel . Microgrid bao gồm nguồn phát điện phân tán (Distributed Generation – DG) đƣợc giao tiếp với lƣới điện thông qua các bộ nghịch lƣu. Nguồn phát điện phân tán (DG) sẽ ngày càng đóng một vai trò chủ đạo trong sản xuất và cung cấp điện. Hiện nay, các DG đƣợc quan tâm rất nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp và trở thành một trong các hƣớng nghiên cứu đang đƣợc quan tâm nhất trong lĩnh vực năng lƣợng [1], [2]. Mặc dù, nguồn phân tán sử dụng gió, năng lƣợng mặt trời hay diesel là những nguồn năng lƣợng có thể sản xuất điện quy mô nhỏ, nhƣng tƣơng lai nó có thể đƣợc coi nhƣ một nguồn thay thế bổ sung cho nguồn điện truyền thống, giúp đỡ để giải quyết sự gia tăng của hiện tƣợng ấm lên toàn cầu gây ra bởi năng lƣợng hóa thạch. [2], [3]. Microgrid đƣợc thiết kế sao cho có thể làm việc linh hoạt ở hai chế độ: Độc lập và kết nối lƣới. Trong chế độ độc lập, microgrid có hai nhiệm vụ quan trọng là chia đều công suất theo yêu cầu của phụ tải giữa các bộ nghịch lƣu kết nối song song và duy trì sự ổn định điện áp, tần số. Trong chế độ kết nối lƣới, microgrid phải đƣợc điều khiển hòa đồng bộ đồng thời phát công suất lớn nhất có thể lên lƣới [4]. Các DG trong microgrid có khả năng điều khiển và độ tin cậy cao hơn so với các máy phát điện thông thƣờng [1], điều này cho phép microgrid đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của lƣới điện [2] – [4]. Vì vậy, microgrid sẽ dần dần hỗ trợ mạnh mẽ và hiệu quả cho lƣới điện chính, và trở thành một trong những xu hƣớng tƣơng lai của hệ thống điện [5]. Trang 12
16. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG 1.1.2 Các vấn đề của microgrid Microgrid là tổ hợp các nguồn và cụm các tải hoạt động nhƣ một hệ thống điều khiển thống nhất cung cấp điện cho tải trong khu vực và kết nối lƣới. Cấu trúc của microgrid bao gồm năm thành phần chính: Nguồn điện nhỏ, tải, thiết bị lƣu trữ, hệ thống điều khiển và các điểm kết nối. Năm thành phần này đƣợc kết nối với nhau tạo thành một mạng lƣới phân phối điện. Sự kết hợp của nhiều loại microsource và các loại tải khác nhau đƣợc hỗ trợ bởi giao diện là các bộ biến đổi công suất. Để nâng cao công suất của microgrid, tăng lƣợng công suất truyền tải hay kết nối nhiều nguồn phát, các bộ nghịch lƣu phải đƣợc kết nối song song. Các bộ nghịch lƣu hoạt động song song sẽ tạo thành hệ thống dự phòng, nâng cao độ tin cậy hệ thống, giảm khả năng quá tải của từng bộ nghịch lƣu đồng thời tạo tính linh hoạt cho phép đóng ngắt nguồn vào lƣới một cách dễ dàng [4]. Thiết kế một hệ thống microgrid cung cấp điện với độ tin cậy cao ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt là cho các tải quan trọng. Một trong những giải pháp thông dụng hiện nay là dùng các bộ nghịch lƣu kết nối song song để nâng cao độ tin cậy, nâng cao hiệu quả nguồn phát, dễ dàng sửa chữa bảo trì bảo quản hoặc thay đổi cấu trúc microgrid. Tuy nhiên, phải đảm bảo các microgrid làm việc ở cả hai chế độ: Kết nối lƣới và độc lập. Trong chế độ độc lập, các bộ nghịch lƣu phải đƣợc điều khiển chia tải theo tỷ lệ công suất định mức của các bộ nghịch lƣu, vì nếu dòng tải không đƣợc chia đều giữa các bộ nghịch lƣu sẽ dẫn đến xuất hiện dòng điện cân bằng giữa các bộ nghịch lƣu và làm quá tải thậm chí hƣ hỏng bộ nghịch lƣu [7] – [9]. Nhƣ vậy, việc chia tải cho các bộ nghịch lƣu kết nối song song trong microgrid độc lập đang là vấn đề rất đƣợc quan tâm hiện nay. Việc kết nối song song các bộ nghịch lƣu chung thanh cái AC là vấn đề khó khăn và phức tạp hơn nhiều so với việc kết nối song song các nguồn DC, vì mỗi bộ nghịch lƣu phải đảm bảo chia đúng tải đồng thời đảm bảo đồng bộ trong hệ thống. Vấn đề đặt ra trong việc kết nối song song các bộ nghịch lƣu là làm thế nào để chia tải và đảm bảo chúng đƣợc kết nối hay ngắt một cách linh hoạt không ảnh hƣởng đến độ tin cậy của hệ thống. Trang 13
17. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG Ngoài những vấn đề cần giải quyết khi thiết kế hệ thống microgrid nhƣ: 1) đảm bảo cung cấp năng lƣợng ổn định và điều chỉnh điện áp; 2) nâng cao hiệu quả của hệ thống; 3) nâng cao chất lƣợng và độ tin cậy của hệ thống; 4) đảm bảo thuận lợi cho DG theo dõi sự thay đổi của tải. Microgrid cần phải đƣợc nghiên cứu để phát triển các tính năng quan trọng sau: - Chia tải giữa các bộ nghịch lƣu kết nối song song trong microgrid ở chế độ độc lập theo công suất định mức hoặc theo tỷ lệ. - Hòa đồng bộ microgrid với lƣới điện công cộng. - Chuyển đổi chế độ hoạt động linh hoạt của microgrid: chế độ độc lập và chế độ kết nối lƣới. - Sự ảnh hƣởng của thông số đƣờng dây trong chất lƣợng điều khiển. 1.2 Các nghiên cứu hiện nay Vấn đề kết nối song song các bộ nghịch lƣu và chia tải và đảm bảo chúng đƣợc kết nối hay ngắt một cách linh hoạt không ảnh hƣởng đến độ tin cậy của hệ thống đã đƣợc nghiên cứu từ nhiều năm gần đây. Sự phát triển nhanh chóng của các bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã làm tăng các kỹ thuật điều khiển hoạt động song song các bộ nghịch lƣu. Những sơ đồ điều khiển có thể đƣợc phân thành hai nhóm chính [3],[5]: Dạng thứ nhất dựa trên các kỹ thuật chia tải tích cực, và phần lớn trong số nó có nguồn gốc từ các sơ đồ điều khiển song song các bộ DC – DC, nhƣ điều khiển tập trung, dạng master-slave (MS), chia tải trung bình (ALS) và điều khiển chuỗi tròn (3C). Mặc dù các sơ đồ điều khiển này đều đạt đƣợc kết quả điều khiển điện áp và chia tải tốt nhƣng các sơ đồ này yêu cầu bắt buộc có giao tiếp trao đổi tín hiệu giữa các bộ nghịch lƣu thông qua hệ thống truyền thông. Dạng thứ hai hoạt động dựa trên việc sử dụng nguyên lý Droop, đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống phát điện thông thƣờng. Ƣu điểm là không cần hệ thống thông tin truyền thông giữa các bộ nghịch lƣu với nhau. Theo phƣơng pháp này việc điều chỉnh tần số và biên độ điện áp đầu ra đƣợc thực hiện theo công suất tác dụng và công suất phản kháng cung cấp bởi bộ nghịch lƣu. Phƣơng pháp droop Trang 14
18. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG đạt đƣợc độ tin cậy cao và tính linh hoạt trong phân bố các môđun, vì chỉ sử dụng phép đo công suất tại chỗ. Tuy nhiên, phƣơng pháp droop truyền thống có một số nhƣợc điểm làm hạn chế phạm vi ứng dụng của nó, nhƣ: 1) đáp ứng chậm với sự thay đổi của tải; 2) phải cân bằng giữa độ chính xác trong chia công suất và độ lệch tần số và điện áp; 3) mất cân bằng thành phần hài dòng điện; 4) phụ thuộc nhiều vào đƣờng dây và trở kháng đầu ra của bộ nghịch lƣu. Trong đó, độ chính xác trong việc chia tải của công suất phản kháng theo Q – E và P – ω droop là không cao [6]. Một số phƣơng pháp phát triển để chia tải bằng nhau, nhƣ trong [7], không thể áp dụng trực tiếp để chia theo tỷ lệ theo công suất định mức của các bộ nghịch lƣu. Một vấn đề khác đặt ra là điện áp đầu ra giảm do sự gia tăng của tải và do chính bộ điều khiển droop [7]. Trong các sơ đồ điều khiển droop truyền thống, để chia công suất theo tỷ lệ công suất định mức các bộ nghịch lƣu kết nối song song, các bộ nghịch lƣu phải có cùng trở kháng và phải có điện áp tại điểm kết nối phải bằng nhau. Cả hai điều kiện rất khó thực hiện và đây là lý do chính khi áp dụng giải thuật truyền thống không đạt đƣợc độ chính xác của việc chia công suất khi thông số của đƣờng dây kết nối khác nhau. Để khắc phục các vấn đề chia công suất, một vài phƣơng pháp cải tiến đã đƣợc đề xuất. Cụ thể, có chủ yếu ba phƣơng pháp giải quyết các tác động của trở kháng đƣờng dây. Phương pháp đầu tiên là dùng trở kháng ảo bằng cách thay đổi điện áp tham chiếu dựa trên thông tin phản hồi từ các DG khác [11], [13],[14], [23]. Phƣơng pháp này có thể làm giảm sai số trong chia công suất phản kháng bằng cách giảm chênh lệch giữa các trở kháng đầu ra. Tuy nhiên, với việc dùng trở kháng ảo có thể dẫn đến sự sụt giảm của chất lƣợng điện áp. Cách tiếp cận thứ hai đƣợc dựa trên kỹ thuật tiêm tín hiệu nhỏ. Trong [15], một tín hiệu DC có chứa thông tin công suất phản kháng đƣợc đƣa vào tham chiếu điện áp đầu ra của từng nguồn DG, và công suất phản kháng đƣợc giới hạn để cải Trang 15
19. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG thiện tính chính xác của việc chia công suất phản kháng. Tuy nhiên, kết quả từ phƣơng pháp này gây méo dạng điện áp đầu ra. Ngoài ra, phương pháp thứ ba thƣờng dựa trên phƣơng pháp thích nghi và bù công suất. Trong [17], phƣơng pháp xây dựng một bộ điều khiển tích phân tác động đến điện áp thanh cái để đảm bảo việc chia công suất. Các thông số tính toán dựa trên sự thay đổi công suất giúp bộ điều khiển thích nghi tốt khi tải thay đổi liên tục. Tuy nhiên, trong tình hình thực tế, thông tin về điện áp thanh cái rất khó để truyền đi khi khoảng cách giữa nguồn DG lớn. Trong một phân tích khác ở [24] đề ra giải thuật dùng trở kháng thích nghi kết hợp với truyền thông. Kết quả đạt đƣợc rất khả quan với sai số công suất phản kháng giảm sâu (chỉ còn 1% đến 3%). Tuy nhiên vì chỉ áp dụng giải thuật droop thông thƣờng để chia công suất tác dụng đã khiến công suất tác dụng bị sai lệch và mất tính thích nghi. Vì vậy, mặc dù có sự tiến bộ đáng kể trong việc nghiên cứu các giải pháp, nhƣng vẫn tồn tại vấn đề chia tải chính xác tỷ lệ với công suất định mức của bộ nghịch lƣu. Do đó, vấn đề chia tải tỷ lệ cần phải đƣợc nghiên cứu trên cơ sở hệ thống. 1.3 Mục tiêu và kết quả nghiên cứu Trong luận văn này, trình bày sơ đồ điều khiển mới chia tải chính xác giữa các bộ nghịch lƣu kết nối song song trong chế độ độc lập của microgrid với việc sử dụng hệ thống truyền thông tín hiệu đo lƣờng P, Q của các bộ nghịch lƣu. Hệ thống truyền thông liên lạc đƣợc sử dụng để nâng cao hiệu quả điều khiển Droop. Luận văn cũng trình bày giải thuật điều khiển phân phối khác đƣợc phát triển nhằm khôi phục tần số và điện áp, cũng nhƣ đảm bảo tính chính xác chia công suất khi trƣờng hợp mất tín hiệu kết nối giữa các DG diễn ra. Trong kỹ thuật này, bộ điều khiển thực hiện trong mỗi đơn vị DG thay vì thực hiện nó ở trung tâm quản lý của lƣới microgrid. Kết quả mô phỏng đạt ổn dịnh đƣợc trình bày ở chƣơng 6 cho thấy khả năng đáp ứng của giải thuật đề xuất với độ chính xác chia tải rất cao. Trang 16
20. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MICROGRID 2.1 Khái niệm microgrid và nguồn năng lƣợng phân tán (DG) Về cơ bản một microgrid tích hợp nhiều nguồn phân tán, với chức năng thu thập, xử lý và phân phối để đáp ứng các nhu cầu tải. Khi giao diện là bộ biến đổi với microgrid tạo thành thể thống nhất, hoạt động của nó đòi hỏi một hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển cần thiết không chỉ linh hoạt trong cung cấp mà còn đảm bảo điện năng đầu ra và chất lƣợng điện. 2.1.1 So sánh giữa lƣới điện thông thƣờng và microgrid Sự khác biệt giữa lƣới điện thông thƣờng và microgrid nhƣ sau: [17] Công suất đầu ra của mỗi microsource nhỏ hơn nhiều so với một nhà máy điện thông thƣờng. Microgrid thƣờng đƣợc lắp đặt gần với tải khách hàng vì vậy tổn thất trong đƣờng dây truyền tải nhỏ. Do đó microgrid có hiệu quả cao trong điều kiện cung cấp điện áp và tần số. Microgrid dùng để cung cấp điện cho vùng sâu vùng xa nơi mà không có lƣới điện quốc gia Quá trình khôi phục hệ thống điện truyền thống là phức tạp, đòi hỏi một sự can thiệp nhanh chóng, thƣờng là bằng tay và trong thời gian thực, trong khi đó microgrid toàn bộ quá trình phục hồi là rất dễ dàng vì giới hạn số lƣợng các biến điều khiển. Trang 17
21. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS. LÊ MINH PHƢƠNG Hình 2.1: Giảm thiểu tổn thất khi dùng microgrid thay lƣới thông thƣờng. 2.1.2 Nguyên tắc cơ bản của một lƣới microgrid Hệ thống DG hạ áp và trung áp phát triển nhanh chóng trên toàn cầu. Chúng đƣợc cung cấp bởi năng lƣợng tái tạo, máy phát điện không thông thƣờng bao gồm: Tế bào nhiên liệu, tua bin gió, và hệ thống quang điện [17]. Thông thƣờng, chúng đƣợc sử dụng để tăng cƣờng cho lƣới điện công cộng trong thời gian tải cao điểm và thiếu điện; và cũng có thể cung cấp điện trong trƣờng hợp hệ thống lƣới điện chính bị sự cố. Trong những năm gần đây, khái niệm này đã đƣợc phát triển tạo thành cụm tải kết nối với các bộ DG song song, tạo thành một microgrid. Trong microgrid khi lƣới điện chính ngừng cung cấp, các microgrid sẽ ngắt kết nối từ lƣới và hoạt động độc lập, tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải cục bộ của mình cho đến khi lƣới điện trở lại bình thƣờng. 2.1.3 Ƣu điểm của Microgrid Microgrid có ƣu điểm so với các hệ thống khác, điều này đƣợc tóm tắt dƣới đây [17]: Trang 18
22. S K L 0 0 2 1 5 4